【正文】 示等功能?；?LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 1 課題背景 本文所講的虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)是在計算機(jī)、電子測量技術(shù)、信號處理技術(shù)、自動控制技術(shù)高速發(fā)展，而傳統(tǒng)儀器下的高校實驗教學(xué)已嚴(yán)重滯后于信息時代和工程實際需要的背景下，利用美國 NI 公司的虛擬儀器開發(fā)平臺 LabVIEW 自行設(shè)計開發(fā)的虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)。 EDA 技術(shù)借助計算機(jī)存儲容量大、運行速度快的特點，可對設(shè)計方案進(jìn)行人工難以完成的模擬評估、 設(shè)計校驗、設(shè)計優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理等工作。測量儀器發(fā)展至今，大體經(jīng)歷了四代發(fā)展歷程。 1． 2 虛擬儀器及 LabVIEW 的 發(fā)展 在這種背景下， 20 世紀(jì) 80 年代末美國率先研制成功虛擬儀器（ Virtual VI）。 93 億美元、占整個儀器銷售額 73 億的 4%。 1998 年 NI 公司推出 了基于 Windows 95 /Windows 的最新版本 和它的姐妹軟件包LabWindow/CVI 。 傳統(tǒng)儀器下的高校實驗教學(xué)，已嚴(yán)重滯后于信息時代和工程實際的需要。據(jù)統(tǒng)計， 1995 年我國進(jìn)口 電子測量儀器 73。 NI 公司宣稱“ The Software is the Instrument”，即“軟件就是儀器” [1]。后來 NI 公司不斷推出基于各種操作系統(tǒng)的 LabVIEW 版本。以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。這意味著，如果以前人們是用虛擬儀器來做快速傅立葉變換觀察信號，那么今天可以利用它進(jìn)行高速的實時運算，并將之應(yīng)用于過程控制和其它控制系統(tǒng)中。雖然這五種系統(tǒng)有很大的差別，但是 無論那種 VI 系統(tǒng)，都是通過應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計算機(jī)相結(jié)合。通常實際系統(tǒng)中放大器作成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計者可根據(jù)輸入信號不同的幅值選擇不同的增益倍數(shù)。 2． 2． 3 軟件 軟件包括應(yīng)用軟件和 I/O 驅(qū)動軟件： 1) 應(yīng)用程序。K,Fluke 等。 2． 3． 2 虛擬儀器的特點 現(xiàn)代化生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強(qiáng)、精度高、自動化程度高，而且要求測試速度快、實時性好、具有良好的人機(jī)界面。許多大型儀器公司均在虛擬儀器市場上占有一席之地。 以上統(tǒng)計數(shù)字表明，虛擬儀器具有廣闊的發(fā)展前景。 3. 圖標(biāo) /連接器 VI 具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。當(dāng)從 Windows 菜單下選擇了 Show Help Window 功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具 圖 23LabVIEW 的工具模板 光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（ Sub VI）或圖標(biāo)上，就會顯示相應(yīng)的幫助信息。 2． 4． 3 LabVIEW 的特點 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench）是由美國國家儀器公司（ NI）在 1986 年推出的一種基于圖形編程語言（ G 語言）的開發(fā)環(huán)境，它具有十分強(qiáng)大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運算、數(shù)據(jù)采集、信號處理、輸入 /輸出控制、信號生成、圖象的獲取、處理和傳輸?shù)鹊取?LabVIEW 編程的另一個優(yōu)點是將軟件的界面設(shè)計與功能設(shè)計獨立開來，修改人機(jī)交互界面無須對整個程序進(jìn)行調(diào)試，這對設(shè)計像儀器操作面板這樣復(fù)雜的人機(jī)界面而言是十分方便的。這樣的話，互相在對象間的數(shù)據(jù)流控制執(zhí)行順序，執(zhí)行順序不局限于來自文本式程序設(shè)計的線性順序，它可以不受其限制。為了實現(xiàn)具體的功能，用戶利用向?qū)О蚜鞒虉D結(jié)合在一起。因為在 LabVIEW 軟件中程序的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定。因而，不會因為圖形化編程降低了效率。只在 n? 離散值上取值或只在 m? 離散點上取值。 傅立葉級數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開式為： x(t)=?????m cmjmte?? (33) 傅 立葉系數(shù) cm =T1 ()T jm tX t dte? ??? (34) 當(dāng)周期 T→∞ ，譜線間隔 ? =2? /T 趨近無窮小，離散量 m? ( m=0， ? 1，? 2,?? )變?yōu)檫B續(xù)量，傅立葉系數(shù) cm 的模 |cm |趨于無窮小，故作不出 |cm |m? 的幅頻圖，但各條譜線比例保持不變。 3． 1． 1． 3 離散時間信號的頻譜 在 以計算機(jī)為中心的測試系統(tǒng)中，模擬信號 x(t)進(jìn)入計算機(jī)前先經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)中的采樣器，將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，成為采樣信號后再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器在幅值上量化為離散的數(shù)字信號。當(dāng)m?≤ T? 時，也就是采樣頻率s?=2? /T≥ 2m?時，可以通過加一理想低通濾波器提取主分量，濾除全部 m≥ 1 的高頻分量，從而由 X(? )恢復(fù)原信號 x(t)在理論上無誤差。 當(dāng)對信號 x(t)進(jìn)行采樣 ，共 N 個采樣點，得離散時間序列 x(i) (i=0,1,2,?，N1)，代入式 (35)可得離散時間序列的頻譜 X(K) (k=0,1,2,?， N1)，共 N 條譜線，其中有效譜線 N/2 條；反之，將 N 條譜線代入式 (36)，則可得 i=0,1,2,?，N1 共 N 個離散時間序列 x(i)。 3． 1． 2 軟件開發(fā) 本章的 任務(wù)是要在 LabVIEW 平臺上開發(fā)出一臺虛擬信號頻譜分析儀器。圖 32 示出了該模塊 case結(jié)構(gòu)下的方波分支程序流程。 由 FFT 和“窗函數(shù)選擇”及其它運算部件組成的數(shù)據(jù)處理模塊 如圖 33所示。 應(yīng)注意的問題 Write to spreadsheet 和 Read from Spreadsheet File 兩個函數(shù)當(dāng)其輸入端 file path 為空時 自動彈出對話框要求輸入讀寫路徑。尤其是使用到彈出式子面板的模 塊，很容易引起數(shù)據(jù)流的混亂，造成錯誤。這就要求我們在開發(fā)程序的過程中一定要仔細(xì)地把好每一關(guān)，在模塊內(nèi)部將錯誤清除，才能減輕最終程序調(diào)試的難度。巴特沃斯濾波器 的優(yōu)點是具有平滑的 單調(diào)遞減的頻率響應(yīng)。濾波器類型可選擇高通、低通、帶通和帶阻，濾波階次、低截止頻率、高截止頻率都可任意選擇。它有六個輸入端和兩個輸出端，分別為源信號輸入、采樣頻率、濾波類型、階次、 低截止頻率、高截止頻率和濾波后信號輸出、錯誤輸出，它們與前面板上的控件相連。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 38 解調(diào)器原理圖 乘法器的另一個輸入信號 稱為參考信號，它應(yīng)是與載波頻率 相同的高頻 `信號。如果缺乏基礎(chǔ)性的理論知識，就無法很好地運用開發(fā)工具，無法解釋在開發(fā)過程中所遇到的問題，也就無法開發(fā)出具有實用價值虛擬儀器；如果缺乏功能強(qiáng)大的開發(fā)平臺，再扎實的理論知識也難轉(zhuǎn)化為有效的、實用的工具。該虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，設(shè)計并實現(xiàn)了虛擬信號頻譜分析儀、虛擬巴特沃死濾波器、調(diào)幅波解調(diào)器、虛擬信號發(fā)生器、虛擬積分器和微分器等實驗教學(xué)用虛擬儀器。 可見，解調(diào)器是由乘法器和低通濾波器材組成的。 圖 314 Butterworth 完整的后面板流程圖如圖 315 所示。該儀器可作為濾波器綜合實驗。 巴特沃斯 低通 濾波器 是一種所謂最平通帶特性逼近理想低通特性的濾波器。前面板中包含了兩個波形顯示器、分別顯示待分析信號的波形圖和經(jīng) FFT 變換 后的幅值譜圖：波形選擇可選取正弦波、方波、三角波、鋸齒波等實驗信號，其幅值、相位、頻率和采樣點數(shù)由左邊的信號源參數(shù) 板決定；窗口選擇板是為是否加 Hamming Window. vi、 hanningWindow. Vi、 Triangle Window. Vi、 Blackman Window. Vi 等而設(shè)立的，學(xué)生可以通過加窗前后的頻譜變化，進(jìn)一步理解窗函數(shù)對解決混頻、泄露和柵欄效應(yīng)的作用；數(shù)據(jù)存取可由用戶決定數(shù)據(jù)讀取或存儲的路徑。 數(shù)據(jù)的內(nèi)聚與偶合問題 同其它模塊化 編程語言一樣， LabVIEW 同樣存在著模塊的內(nèi)聚與偶合問基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 題。由面板開關(guān)進(jìn)行控制 3． 1． 2． 4 結(jié)果顯示模塊 結(jié)果顯示模塊的主要功能是將測試到的、采集到的或經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)送到示波器上顯示，供使用者分析和研究。LabVIEW 在向一個新的或已存在的文件讀寫數(shù)據(jù)是一個三部的過程：首先打開或創(chuàng)建一個文件，然后按一定格式讀寫數(shù)據(jù)到文件，最后關(guān)閉文件。 32 case 結(jié)構(gòu)下的典型信號生成模塊程序流程 應(yīng)注意的問題： “歸一化頻率”問題： LabVIEW 中的所有仿真信號 用函數(shù)生成的基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 離散 時間序列，其輸入?yún)?shù)頻率均為數(shù)學(xué)頻率，因此就不可避免地遇到了歸一化頻率的問題。概括起來其主要功能應(yīng)包括：信號的產(chǎn)生、信號分析和處理、數(shù)據(jù)文件存儲和讀取。如此多的計算次數(shù)使 DFT 不可能在實際工程中得到應(yīng) 用，因而出現(xiàn)了各種用于減少 DFT 計算次數(shù)的算法。如果采樣頻率s?不滿足采樣定理，譜線就會重疊，即使采 用理想低通濾波器也不可能將混入的高頻主分量濾除。 1. 采樣定理 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 連續(xù)時間信號 x(t)被數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)中的采樣器以等時間間隔 T 采樣，則采樣時刻 0、 T、 2T、??所得信號 x(t)的瞬時值，就構(gòu)成了連續(xù)信號 x(t)的離散時間序列 ()six， (i=0、 2?? )。 2. 非周期信號的傅立葉積分表示 作為周期 T 為無窮大的非周期信號，當(dāng)周期 T→∞時，頻譜譜線間隔? → d? ， T→ 2d?? ，離散變量 m? → ? 變?yōu)檫B續(xù)變量，求和運算就變成求積分運算。每條譜線只出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍的頻率上，基波頻率是主分量頻率的公約數(shù)，相鄰譜線間隔為 ? 。 3 基于 labVIEW的虛擬儀器 3． 1 虛擬儀器頻譜分析儀 3． 1． 1 虛擬儀器頻譜分析儀的實驗原理 信號的頻譜描述是以頻譜 f（ ? =2? f） 為橫坐標(biāo)變量來描述信號幅值、相位的變化規(guī)律。LabVIEW 軟件是一個多任務(wù)系統(tǒng) —— 具有多線程功能并運行多個虛擬儀器?？刂颇０迳系膶ο蟀〝?shù)字顯示、表頭、壓力計、熱敏計外殼、表、圖片等。 與傳統(tǒng)的文本式程序設(shè)計一樣， LabVIEW 也有控制流程圖功能執(zhí)行的部分，它們包括 Sequence Case Statement， For Loop， While Loop，它們被圖形化地描述成邊界結(jié)構(gòu)，像在傳統(tǒng)的線形 化程序設(shè)計中可以插入代碼段一樣，可以把圖標(biāo)放在 LabVIEW 圖形結(jié)構(gòu)的界限內(nèi)部。 對于構(gòu)建虛 擬儀器， LabVIEW 有許多特點和優(yōu)勢，諸如：儀器控制與數(shù)據(jù)采集的圖形化編程；直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風(fēng)格；內(nèi)置的編譯器可加快執(zhí)行速度；數(shù)據(jù)采集 DAQ 函數(shù)庫可讓用戶采集測量信號或發(fā)出控制信號，適合應(yīng)用于快速且直接的控制； 650 多種儀器驅(qū)動程序，可驅(qū)動超過 50多家廠商制造的儀器；內(nèi)容豐富的高級分析庫，可進(jìn)行信號處理、統(tǒng)計、曲線擬合以及復(fù)雜的分析工作；利用 Activex， DDE 以及 TCP/IP 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和進(jìn)程基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 通信；適用于 Windows NT/9X/XP， MacOS， HP2UX， Sun 以及 Concurrent 實時計算機(jī)等等 [3]。 但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程；而 LabVIEW 使用圖形語言（即各種圖標(biāo)、圖形符號、連線等）編程，界面非常直觀形象，而且使用的都是測試工程師們熟悉的旋鈕、開關(guān)、波形圖等 ，因此是一種直覺式圖形程序語言。每個圖標(biāo)代表一類子模板。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。如何發(fā)展我國自己的儀器產(chǎn)品，尤其是具有廣闊發(fā) 展前景的虛擬儀器，是我